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生命学院在长余辉纳米材料用于疾病诊疗一体化方向取得系列进展
发布时间:2020-09-07 20:08:12 点击数: 来源:生命学院

西工大新闻网9月7日电吴淑琪)长余辉纳米材料是一种能够储存能量,当激发光停止后仍能够发出较长时间余辉的纳米材料。这一突出特点使得在检测和成像过程中有效避免背景干扰。因此,近年来长余辉纳米材料及相关复合物在信息存储、检测和疾病诊疗等领域有了广泛的应用和研究。生命学院吴淑琪副教授致力于设计合成功能性长余辉纳米复合材料,用于细胞示踪、生物标志物检测、肿瘤诊疗等方面的研究。近期构建了基于长余辉纳米材料的肿瘤多模态成像和联合治疗复合物,有效的实现了肿瘤的高灵敏度无背景成像并抑制了肿瘤生长,取得了一系列进展。相关成果有利于拓宽长余辉纳米复合材料的合成及应用方向,为肿瘤的多模态成像和多方式联合治疗提供新的手段。

1.乳腺癌余辉成像/光声成像和光热治疗诊疗一体化平台

乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一,肿瘤侵袭性高,预后差。急需要高灵敏成像和高效治疗手段。作者设计合成了长余辉-聚吡咯纳米复合物(LPLNP@SPP)用于乳腺癌的余辉/光声双模态成像和光热治疗。论文中优化了长余辉纳米材料的配比,得到了具有700 nm发射的长余辉纳米材料,余辉时间超过24小时。通过后续水热和化学氧化的方法将二氧化硅和聚吡咯壳层依次包覆在长余辉纳米材料表面,经过表面修饰后得到具有双功能的LPLNP@SPP(图1)。

图1. LPLNP@SPP合成及表征。(A,B)长余辉纳米材料发射光谱及余辉性质表征;(C-E)长余辉纳米材料及复合物透射电镜表征;(F)LPLNP@SPP能谱表征

LPLNP@SPP具有优良的生物相容性、免原位激发的较长近红外余辉发射以及高效光热转换效率。能够实现乳腺癌高灵敏成像并抑制肿瘤生长(图2)。相关工作发表在优秀期刊Talanta(2021, 221, 121435; doi: 10.1016/j.talanta.2020.121435)上。2018级硕士研究生李阳为本论文共同一作。

图2.长余辉-聚吡咯纳米复合物用于乳腺癌成像和光热治疗

2.具有类芬顿催化活性的长余辉纳米复合物用于肿瘤多模态成像和光增强联合治疗

活性氧介导的肿瘤化学动力疗法和光动力疗法在实际的肿瘤联合治疗中引起了广泛的关注。然而,严苛的治疗条件和乏氧微环境严重限制了这些治疗方法的疗效。作者设计合成了一种长余辉纳米复合物(PLNP-HSA-Fe3+-IR780,简称PHFI),用于癌症多模态成像和有效的光增强联合治疗(图3)。

图3.人血清白蛋白修饰的长余辉纳米复合物用于肿瘤多模态成像和光增强联合治疗

采用人血清白蛋白(HSA)结合IR780探针和Fe3+一步法包覆到长余辉纳米材料表面。合成的PHFI具有高的纵向弛豫性、明显的光声对比信号和长时间的余辉发光,表明PHFI可用于肿瘤磁共振、光声和光学多模成像(图4)。

图4.长余辉纳米复合物PHFI多模态成像效果。(a)余辉成像;(b,c)核磁成像;(d)光声成像

PHFI表现出光增强类芬顿催化活性以及光动力学和光热效应,从而可以有效克服苛刻的治疗条件对肿瘤细胞的杀伤作用。值得注意的是,PHFI可作为光增强联合治疗的内部激发光源,增强治疗效果(图5)。该工作显示了PHFI在癌症治疗方面的巨大潜力,有望推动基于长余辉的纳米平台在肿瘤催化治疗中的发展。相关工作发表在该领域优秀期刊ACS Applied Materials & Interfaces上(2020, 12(23), 25572-25580; doi:10.1021/acsami.0c04438)。该论文由参与“大学生创新创业训练计划”的本科生乔子涵、胡孙培等同学协助完成。

图5.PHFI肿瘤治疗效果。(a)光热升温效果图;(b,c)肿瘤联合治疗

3.长余辉纳米材料的生物应用研究进展

长余辉材料在激发停止后具有余辉发光特性。近十年来,长余辉纳米材料(PLNPs)在各个领域引起了广泛的关注和研究。特别是近年来,在生物医学领域的发展和应用得到了广泛的探索。由于有效地消除了生物组织自身的荧光干扰和超长的近红外(NIR)余辉发射,PLNPs在生物传感、细胞跟踪、生物成像和肿瘤治疗等方面的应用受到了广泛关注。这些成就激发了人们对设计具有优越特性和多种功能的新型PLNPs的兴趣。作者综述了PLNPs的合成方法、生物应用、生物膜修饰和生物安全性等方面的研究进展,并重点介绍了生物传感、成像和成像引导治疗的最新进展。作者进一步讨论了新型PLNPs作为一类新型功能性生物材料的应用。最后,对存在的问题和挑战进行了讨论,并对未来生物医学应用的发展方向进行了展望(图6)。相关综述文章发表在“中国最具国际影响力学术期刊”之一的Nano-Micro Letters上(2020, 12(1), 70; doi:10.1007/s40820-020-0404-8)。

图6.长余辉纳米材料生物应用研究进展

系列工作培养研究生3名,本科生6名。相关研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省自然科学基金、研究生种子基金、大学生创新创业训练计划等项目的资助支持。生命学院吴淑琪副教授为以上系列工作的第一作者,课题组长张连兵教授为通讯作者。

(审稿:杨慧)

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